Résumé: Les marges passives volcaniques, qui représentent plus

Résumé:
Les marges passives volcaniques, qui représentent plus des trois-quarts des marges passives sur Terre, sont les témoins privilégiés des
processus d’extension lithosphérique menant à l’ouverture de nouveaux bassins océaniques. Elles sont caractérisées notamment
par une grande quantité de magma sous-plaqué, intrudé et extrudé sous forme de grands prismes de laves – les seaward-dipping
reflectors, ou SDR - au cours de l’extension et de l’amincissement lithosphérique qui forment la transition océan-continent
(TOC). L’origine et de la formation de ces objets géologiques, directement liée aux interactions entre processus de rifting et
fusion du manteau, est encore largement débattue. Cela est dû en partie au fait que l’observation de la TOC reste un défi :
inaccessible, puisque située à de grandes profondeurs sous la surface des océans, et difficilement observable du fait de la
présence de grands volumes de roches volcaniques qui en masquent les structures.
Cette thèse se propose d’explorer les relations structurales et temporelles qui existent entre le développement des grandes
structures qui accommodent l’extension et l’amincissement, et la production magmatique qui lui est associée pendant le
développement d’une marge volcanique naissante, accessible à l’observation directe : le point triple Afar en Éthiopie. Nous
produisons une nouvelle lecture de la province Afar en tant qu’analogue en devenir des marges volcaniques. Nous présentons
dans ce travail une approche triple. La première approche consiste – au moyen d’une étude de terrain et de datation du
volcanisme - en la caractérisation du timing de la déformation crustale et du style structural du rift depuis les phases les plus
précoces du rifting jusqu’à l’actuel. La seconde approche consiste en la détermination de l’évolution des régimes de fusion
mantellique au cours de l’extension, au travers de l’examen de la géochimie des laves. La troisième est la construction d’un
modèle synthétique à l’échelle des plaques Nubienne et Arabe qui traite de l’évolution des marges volcaniques associées au
point triple Afar en lien avec leur segmentation.
Les principaux résultats suggèrent que l’extension est accommodée de façon distribuée en surface en Afar Central, en
association avec d’importants volumes de sous-plaquages qui ré-épaississent la croûte pendant le rifting. Ceci est compatible
avec l’existence de grands détachements crustaux. Nous montrons que des phases tectoniques ponctuelles alternent avec des
périodes de magmatisme plus prolongées. La production de grands volumes de flood basalts se produit après l’amincissement
crustal et lithosphérique tardif, ce qui suggère que la formation des SDR est contrôlée par des épisodes tectoniques antérieurs.
Nous montrons qu’il existe une différence entre l’Afar Central, marge longue, asymétrique et fortement sous-plaqué, avec les
marges volcaniques de la Mer Rouge et du Golfe d’Aden plus courtes et symétriques où l’amincissement et la mise en place
des prismes de SDR sont synchrones. Nous suggérons que cette différence est due en premier lieu à l’absence ou la présence
de manteau lithosphérique sous ces deux types de marges et en second lieu à la segmentation précoce héritée de l’initiation du
rifting qui renforce cet effet en distribuant inégalement le magma sous-plaqué et erupté. Enfin, nous proposons que le break-
up aux marges volcaniques se traduit par l’amincissement extrême de la croûte continentale initiale, qui est progressivement
remplacé par du sous-plaquage mafique et des laves subaériennes pour finir par former la première croûte océanique.
Abstract
Volcanic passive margins, that represent more than the three quarters of continental margins worldwide, are privileged witnesses of the
lithospheric extension processes that form new oceanic basins. They are characterized by voluminous amounts of underplated,
intruded and extruded magmas, under the form of massive lavas prisms (seaward-dipping reflectors, or SDR) during the course
of thinning and stretching of the lithosphere, that eventually form the ocean-continent transition. The origin and mechanisms
of formation of these objects, which are directly linked to rifting and melting interactions, are still largely debated today. This
is partly due to the fact that mature margins are hardly accessible, buried beneath some kilometers of post-rift sediments
underwater. Furthermore, SDR often act as an observation mask, rendering geophysics observations a challenging exercise.
This thesis proposes to explore the structural and temporal relationships that exist between the development of the major
thinning and stretching structures and the magmatic production associated to them. To do so, we will focus our work of the
Afar triple junction, Ethiopia, a nascent volcanic passive margin that present the advantage of being accessible and offers a
unique and complete record of both the syn-rift lava pile and tectonic structures. The rationale of this work is threefold. First,
we present fieldwork analysis with lavas geochronology to determine the timing and style of the rift formation, since the early
syn-rift period to present days. Second, we determine how the melting regime evolved in response to the deformation of the
crust, through a geochemical study of the pre- to syn-rift lavas. Third and last, we present a synthetic model a the scale of the
Nubia and Arabia plates, that describes the evolution of the volcanic margins associated with the triple junction, in relationship
with their segmentation.
The mains results of this thesis suggest that extension is primarily accommodated over a wide area at the surface, in
association with important volumes of underplated mafic material that compensate crustal thinning. This is done by major
crustal-scale detachments that help localize the thinning and underplating at depth. In line with this ‘magmatic wide-rift’
mode of extension, we demonstrate that episodic extension steps alternate with more protracted magmatic phases. The
production of syn-rift massive flood basalts occur after thinning of both the crust and the lithosphere, which suggests that
SDR formation, is controlled by previous tectonic event. There exist a difference between Central Afar that is a wide, heavily
underplated, extensively thinned and asymmetric margin and volcanic margins offshore Yemen, which is shorter, with syn-
tectonic classically pictured SDR wedges. We propose that this difference is provoked in a first place by the absence of
presence of a competent lithospheric mantle beneath those two types of volcanic margins and their associated melting
regimes; and to a further extent by the early syn-rift segmentation that enhances the aforementioned morphological features
by distributing the magma unequally. Finally, we suggest that the break-up at volcanic margins occurs after the crust is
efficiently thinned and replaced by underplating and SDR to form the first oceanic crust.